Ты здесь!

Были времена, когда GPS давал точность порядка 100 метров. Это было связано с тем, что военные специально загрубляли сигнал, чтобы не авторизованный пользователь не мог определиться точнее. Ну сразу вопросы, а как спутники узнают кому
«давать точно», а кому «как попало»? И как загрублять то? А что делать если опять загрбление включат, ведь теоретически они могут!?

И так по порядку. Начнём с того, что выясним как загрублялось. Ведь загрубление проводилось на уровне измерений. К сожалению сейчас не могу выложить графики, показывающие как вела себя задержка загрубленного сигнала, но попозже это сделаю. Все в школе видели параболу. Так вот если измерять задержку со спутника в течение 12 часов (период обращения по орбите), то она будет выглядеть как парабола (но отнюдь ей не являться). Гладкая такая. А если будет присутствовать селективный доступ, то эта парабола будет содержать флюктуации и на параболу перестанет быть похожей.

Не помню писал или нет, по моему не писал, что на спутнике тоже есть «часы» и они тоже имеют некоторую нестабильность, правда очень маленькую, порядка 10^-14 сек. Но тем не менее этой нестабильностью пренебрешать нельзя при расчете позиции. Эта нестабильность можелируется полиномом второй степени, а точнее уравнением dt(t) = A0 + A1*t + A2*t^2. В это уранении t – это время (секунды недели обычно) на которое мы хотим рассчитать нестабильность часов спутника. В случае отсутствия селективного доступа это руавнения давало правильную нестабильность.

Надо полагать, что при включённом селективном доступе это уравнение могло иметь вид (например) dt(t) = A0 + A1*t + A2*t^2 + A3*t^3 +…+An*t^n. Членов выше второй степени могло быть сколько угодно. А может это было и ещё сложнее выражение. Одно можно тогда было точно, что для каждого спутника сигнал вёл себя разным образом. Это означает, что для каждого спутника были свои коэффициенты A3 … An. Вся сложность была в том что обычный пользователь не мог знать значения этих коэффициентов и не мог посчитать точно свою позицию.

А военные? Военные конечно их знали. А как? А помните я писал про структуру сигнала. Так вот в качестве данных на частоте L1 для Р кода передавались значения этих самых коэффициентов. То есть военные знали как принимать закодированный Р код и знали какие данные там передаются. Оставалось просто применить нужную формулу и загрубление как рукой снимало. Так вы спросите, что я писал про то, что можно принимать Р код не зная секретного Y кода. Я скажу да, все так, но при приеме закодированного Р кода данные теряются. Алгоритм приёма таков, что ради измерений приходится жертвовать данными, которые мы, к стати сказать не знаем. Точнее мы не знаем структуру этих данных. Что за чем передаётся и с какой частотой и другие характеристики.

Итог таков:

1. Загрубление сигнала происходило путём внесения дополнительных искажений в нестабильность «часов» спутника. Причем для каждого спутника свои искажения.
2. Информация об искажении, точнее коэффициенты полинома, передавались на закодированной составляющей L1 частоты.
3. Пользоваться этими данными могли только военные и авторизованные пользователи.
4. Принимать Р код можно и в закодированном виде, но данные теряются, так как это специфика алгоритма приёма.

Есть несколько вопросов и хотелось бы их обсудить. Собственно, они назрели в результате дискуссии в этом посте.

1. Сколько в настоящий момент действующих спутников у ГЛОНАСС?
2. Когда покроют территорию России?
3. Когда покроют весь земной шар?
4. У ГЛОНАСС более уверенный прием чем у GPS? Потому как у GPS сигнал теряется даже при проезде под мостом.
5. У кого больше точность? У GPS погрешность более 100 м. А у ГЛОНАСС типа меньше. На сколько меньше?

Ответы будут таковы:

1. Заходим вот сюда и видим, что спутников которые работают ровно 16. Примерно с 12 до 14 по декретному московскому времени видно 6-7 спутников.
2. Они и так покрываю территорию россии. Просто группировку подбирают так, что бы днем было видно большее количество спутников над москвой. Соотвественно в остальных регионах это будет в другое время.
3. Земной шар покрою когда их станет 24 штуки. Их станет 24 штук, по заверениям РНИИКП к концу 2008 года. Это связано с тем, что запуски проводятся в октябре (если не ошибаюсь) и в декабре (это точно). Раньше нельзя. Но и то, они хотят ещё 3 старых спутника вывести. Это значит что 16-3 = 13. 13+6 = 19. То что обещали к концу 2007 будет только в конце 2008. Одним запуском можно вывести 3 спутника ГЛОНАСС-М. Их выводят ракетоносителем ПРОТОН с байконура или СОЮЗ с Плесецка. Союз выводит не 3 спутника если не ошибаюсь.
4. Пофигу что за система. У любой системы сигнал теряется под мостом, просто потому что терятся спутник из прямой видимости. Приём и там и там одинаковый, если использовать обычные приёмники.
5. Все наоборот. У GPS до отмены селективного доступа (сигнал загрубляли специально) было порядка 100 метров. Его отменили в мае 2000 года. Сейчас 2-4 метров в зависимости от приёмника (фирма производитель и прочее). У ГЛОНАСС точность около 10 метром, может даже хуже. Опять таки зависит от фирмы производителя приёмника. В данном случае под точностью понимается среднеквадратическая ошибка местоопределения по горизонтали.

В системе GPS используется кодовое разделение каналов. В системе ГЛОНАСС – частотное разделение каналов. Про это читать тут.

Я сейчас пишу документацию на код, но идёт очень туго, ибо скучно писать о том, что ты писал до этого. И вот пришла в голову мысль: Настоящий программер это тот, кто прошел через ужасы описывания бредней, которые он выдаёт за свой код.

Причём частенько один программер частенько описывает код, написанный другими. По мне так вобще проще doxygen юзать, но это все равно что код написать новый.

ГЛОНАСС я уже частично описывал. Используется частотное разделение каналов. На первом диапазоне частот передаётся как С/А код, так и Р код. Причем Р код не известен и в ИКД не описан. Фактически нет возможности его ловить, но приёмники некоторых фирм как-то это делать умеют. Во втором диапазоне частот, с запуском новых спутников, стал появляться С/А код. Р код во втором диапазоне был и на предыдущих модификациях, есть и сейчас на ГЛОНАСС-М. Этот Р код тоже неизвестен, но ловить его многие умеют.

Как же обстоят дела на частоте L2, или попросту, на второй частоте? До определённого момента на второй частоте передавался только P(Y) код. Но с вводом в эксплуатацию нового поколения спутников IIR-M и IIF на частоте L2 передаётся и С/А код. Причём могут передаваться 2 не когерентных кода: L2CM – civil moderate, L2CM – civil long. Нет смысла переводить названия этих кодов, достаточно просто запомнить аббревиатуру.

L2CM – в основе кода лежит битовая последовательность длинной 20 мс (миллисекунд). Частота следования битов (чипов) в этой последовательности 511,5 кГц. Это значит, что в одной миллисекунде умещается 511,5 бит (чипов).

L2CL – это такая же последовательность как и L2CM, но получающаяся в результате сброса годо-генератора каждые 767250 чипа. Чип (chip) – это самый маленький элемент ПСП. Иногда под словом «чип» понимают длительность этого элемента.

На ряду с дальномерным кодом передаются и данные, такие же как и на первой частоте. Правда способ передачи и структура сигнала с данными немного другая. Рассматривать смыла пока нет.

Тип передаваемого сигнала можно командой менять из центра управления. То есть, в качестве C/A кода может передаваться:

1. Сумма по модулю 2 С/А кода и данных.
2. С/А код без данных.
3. Битовая последовательность, состоящая из L2CM кода и данных и L2CL кода без данных.

Рассмотрим, так называемый, P код. Что это за зверь такой. Это псевдошумовой код, который представляет из себя М-последовательность. Это тоже последовательность 0 и 1 с частотой следования f0 = 10.23 МГц. Это значит, что длительность элементарного импульса (чипа) 0.1 мкс (микро секунда). Это говорит о том, что этот код имеет длительность импульса в 10 раз меньше чем С/А код. Период этого кода равен 267 дней. Эти 267 дней разбиты на 38 семидневных интервалов. Из них один интервал не используется, 5 в резерве, а остальные назначены на спутники на орбите. Каждому спутнику свой уникальный код.

Вместо Р кода может быть использован Y код. Это точно такой же код, но зашифрованный. Уравнения для его генерации не известны потребителю. Его знают только военные пользователи системы GPS.

На ровне с Р кодом передаётся информация. Раньше в эту информацию входили параметры загрубляющего полинома, который использовался, когда был включён селективный доступ. И при декодировании этих параметром можно было снять загрубление с сигнала. Однако не все так просто.

Поскольку Р код зашифрован, то есть это Y код, то для его обработки, ловли и слежения используются специальные техники (свои у каждой фирмы). Алгоритм таков, что в результате теряется полезная информация, то есть, код следить мы можем, а понять, что там передавалось не можем, даже если знаем формат данных.

Для передачи формирования конечного сигнала используется таже техника, что и с С/А кодом – фазовая манипуляция.

Если не вдаваться в экзотические детали, то это на первой частоте дело обстоит так.

Любый вопросы милости прошу!

Россия готова добавить в систему ГЛОНАСС кодовой разделение каналов.

Окончательное решение ожидается на следующей неделе, согласно словам Сергея Ревнивых, выступавшего на конференции в Мюнхен, посвященной спутниковой навигации. В планах России сделать кодовой разделение на частоте L1 и L5 примерно в том же частотном диапазоне, что и у GPS. Первые спутники будут запущены в 2010 году , это будут ГЛОНАСС-К.

Также ГЛОНАСС-К буду иметь большую мощность сигнала. В связи с переходом на кодовое разделение будет удобнее производить много-системные приёмники.

Также было сказано, что Россия планирует запуски в сентябре и ноябре этого года, что позволит довести орбитальную группировку до 18 спутников. Это будут все спутники ГЛОНАСС-М.

Более подробно модернизация системы ГЛОНАСС будет обсуждаться на международной спутниковой конференци в Москве 7-8 апреля.

источник

GPS спутники передают сигнал на двух частотах. Они условно называются L1 и L2. Разберёмся сначала с, так называемой, «первой» частотой – L1. На ней излучаются 2 сигнала, называемые C/A кодом и P кодом. C/A – coarse acquisition код. Если переводить дословно, то это грубый код, служащий для захвата сигнала. Р код – это precision код, то есть точный код. Излучаются эти сигналы в квадратурах, то есть их математическое описание соответствует функциям sin и cos. Это значит, что один сигнал сдвинут относительно другого по фазе на 90 градусов.

Рассмотрим сначала C/A код. Напомню, что в системе GPS используется кодовое разделение каналов. Это значит, что каждый спутник идентифицируется на земле по факту приёма его уникального кода. Опять это слово – код. Давайте детально разберёмся с тем, какая информация поступает в передатчик спутника и, в дальнейшем, уже на землю, как радио-частотное колебание.

На спутнике все частоты получаются из некой опорной частоты f0 = 10.23 МГц. Таким образом частота несущей L1 = 154 * f0 = 1575.42 МГц – так задается колебание первой частоты. Номер спутника соответсвует уникальному коду для данного спутника – этот код получил название PRN code. PRN – pseudo random noise, псевдо шумовой сигнал. В системе GPS в качестве таких кодов используются коды Голда. Этот код представляет из себя псевдо-случайную (почти случайную) последовательность 0 и 1, следующих с частотой f0/10 = 1.023 МГц. Длинна этого кода выбрана равной 1 мс (милли секунда). После этого код повторяется сначала. В 1 мс укладвается 1023 ноликов и единичек этого кода, идущих с частотой 1.023 МГц. Благодаря именно этому коду сигналы от разных спутников не перемешиваются в пространстве, потому что у каждого спутника этот код свой.

Кроме того, существует ещё и информационное сообщение, которое передаётся непрерывно со скоростью 50 бис/с. Длинна сообщения 1500 бит. Скорость 50 бит/с означает, что длительность 1 бита – 20 мс. Значит, в 1 бите укладывается 20 периодов PRN кода.

Информационное сообщение и PRN код складываются по модулю 2. Для тех, кто не знает, что это такое, считайте, что это просто сложение. Потом эта сумма поступает в передатчик, где она накладывается на несущую частоту и передаётся. «Наложение на несущую» – это называется модуляция. В нашем случае используется фазовая манипуляция: при переходе этой суммы с 0 на 1 фаза несущей сигнала меняется на 180 градусов.

Пожалуй хватит для одного поста, а то мозг разнесёт. Все вопросы в комментах. А за мной:L1P code and L2P code signal structure.

Вы узнали что:

1. На частоте L1 реально передаётся 2 сигнала;
2. Какой код используется для разделения спутников по каналам;
3. С какой скоростью передаётся информация с борта спутника;
4. Как передаваемая информация связана с кодом.

Уже было показано множество примеров ущерба в том или ином виде, который приносит использование спутниковой навигации. Но масло в огонь подлила Англия, когда сказала, что спутниковая навигация повинна в том, что им приходится ежегодно ремонтировать около 2000 мостов, что выливается в 5000 часов задержек разного рода.

Здесь дело отнюдь не падающих с неба спутниках, а в том, что водители черезчур сильно доверяют своим навигаторам, при пракладке маршрутов. Проблема на столько остра, что некотроые участки дорог, обозначенны спуциальными знаками, предупреждающими о возможных проблемах, особенно при проезде под низкими Ж/Д мостами. Ведь грузовики не в силах поехать там, где это может сделать легковой автомобиль. Однако этого не дотаточно для решения проблемы, и сейчас людей предупреждают, чтобы они болше полагались на здравый смысл.

Занятная история. Думаю это не последние сообщения об отрицательных сторонах применения спутниковой навигации.

И так, закончим раздел посвящённый A-GPS. Есть 3 пункта на повестке.

1. Информация с инерциальных датчиков;
2. Локальные параметры модели ионосферы;
3. Map-matching.

Пойдём по порядку

1. Я бы не сказал, что это напрямую относится к современному понимаю термина A-GPS, как некоторой услуги. Скорее это имеет место здесь быть, если понимать A-GPS дословно, то есть не просто чистый GPS, а с чьей-то помощью. Вот в этом контексте инерциальные датчики дают очень большую выгоду, особенно автомобильным приёмникам. Какие они бывают эти датчики? Это могут быть акселерометры (измеряют ускорение), магнитометры (измеряют магнитный курс), гироскопы (измеряют либо угол, либо скорость изменения угла). Все эти данные могут с успехом помогать GPS приёмнику. Правда, есть некоторые, на первый взгляд, неочевидные проблемы, заслуживающие отдельного поста. Скажу лишь, что толк от датчиков есть только, когда спутников мало или нет совсем. В этом случае эффект потрясающий. Сам лично разрабатывал приемник для автомобиля и занимался комплексированием (объединением разнородных измерений). Объединению измерений датчиков и GPS посвящу отдельный пост.

2. Ну в этом пункте можно придумать следующую утопию. Например, метеорологический центр, при анализе параметров ионосферы для Москвы и области делится это информацией с поставщиком услуг A-GPS, а тот предоставляет из пользователю, который находится в радиусе действия сети A-GPS. Таким образом юзер имеет локальные, более точные, параметры ионосферы, что позволит ему улучшить точность определения координат. Утопия, потому что у нас в стране это вряд ли появится в скором будущем. На все нужна воля и деньги. У нас пока не видят выгоды. Это лично моё мнение, которое может быть ошибочным.

3. Это моё любимое. Это шедевр. Переводится это словосочетание как «сопоставление с картой».Давайте по порядку. В этом месте буду рассматривать коньсьюмерный GPS приемник, как устройство, у которого позицию считает модуль GPS FW, а с пользователем общается приложение «карта».
Говоря о сопоставлении, имеется ввиду сопоставления с картой позици, которую посчитал приемник. Большинство, без исключения, коньсьюмерных приёмников использую эту технику без обратной связи. Объясню все по порядку. Начнём с того, что карты и GPS FW в общем случае делаются разными производителями. В этом случае, естественно, одни не хотят пускать других в свою кухню. Поэтому между картой и модулем GPS проложен строгий интерфейс, скорее всего, описываемый стандартом NMEA.

GPS FW выдаёт позицию карте, а карта уже, определяет, правильность этой позиции. Если надо, то она ее корректирует и, в конечном счёте, выдаёт пользователю. Так работает схема без обратной связи. Такая схема не очень эффективна и вот почему. Предположим, что FW посчитало неверную позицию (не важно почему) и выдало её карте. В этом случае, карта, скорее всего определит, что приёмник ей врёт и попробует сама выбрать наиболее подходящую позицию. Если карта хорошая, то это ей удастся. И эту «угаданную» позицию она выдаст пользователю. Но в тоже самое время приёмник опять может неверно все посчитать. И всё повториться. В конце концов позиция перестанет выдаваться.

Что даёт обратная связь и что это такое вообще? Предположим, что и карта и приёмник делаются одним производителем. В этом случае обратная связь вполне оправданна. Эта связь будет от приложения карты внутрь GPS FW. Рассмотрим выше изложенную ситуацию. Карта получила координаты и решила , что они неверны. В этом случае она поправит их, как считает нужным и выдаст пользователю. Кроме того, она пошлет необходиму информацию внутрь самого фирмваря, чтобы он мог эту информацию использовать. Если все хорошо, то уже в следующие координаты, посчитанные FW буду достаточно верны. Вот так карта может помогать.
Конечно, на практике все намного сложнее и приёмников с обратной связью от карты к FW очень мало.

Что вы узнали:

1. Что интеграция с датчиками и где она может помочь;
2. Как использовать локальные параметры ионосферы;
3. Что такое map-matching с обратной связью и без неё.